某工業(yè)廠房供暖方案的研究及應(yīng)用分析

張愛民，張海波

（珠海格力電器股份有限公司，珠海，519070）

1 工程概況

某城鄉(xiāng)一體化示范區(qū)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)了暖通空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)負(fù)荷計(jì)算，廠房建筑最大總冷負(fù)荷為1308kW，總熱負(fù)荷1339 kW，冷熱源選用十臺風(fēng)冷冷（熱）水模塊機(jī)組，設(shè)備總冷量1300kW，考慮衰減后總制熱量為982kW。夏季制取7℃的冷凍水用于空調(diào)系統(tǒng)的供冷，回水溫度12℃；冬季制取45℃的熱水用于空調(diào)系統(tǒng)的供暖，回水溫度40 ℃。空調(diào)末端系統(tǒng)中，廠房新風(fēng)采用全熱新風(fēng)交換機(jī)進(jìn)行能量回收，制冷系統(tǒng)末端采用吊裝式空調(diào)機(jī)組，供暖系統(tǒng)采用翅片管散熱器。

采用散熱器供暖的方式是普遍做法，從經(jīng)濟(jì)上分析其投資少，設(shè)計(jì)施工簡單，后期運(yùn)行管理成本低，但從技術(shù)角度分析，廠房屬于高大空間，散熱器容易出現(xiàn)較大垂直溫度梯度，使得供暖空間溫度均勻性較差［1-4］。本文將通過數(shù)值模擬對本工業(yè)廠房設(shè)計(jì)方案供暖效果進(jìn)行分析，評估設(shè)計(jì)方案可行性，并提出優(yōu)化方案。

2 仿真方法

2.1 物理模型

廠房層高10.7m，長135m，寬68m，廠房中辦公室高4.5m，辦公室內(nèi)墻采用150 mm厚輕質(zhì)墻板。在廠房及辦公室墻附近布置散熱器，給散熱器供熱水通過散熱器散熱采暖，散熱器底部距離地面0.3m，側(cè)面距離墻面0.1 m，布置方式如圖1所示：

圖1 仿真分析三維模型

圖2 截面示意圖

表1 散熱器參數(shù)表

2.2 數(shù)學(xué)模型

①室內(nèi)空氣可視為不可壓縮流體，空氣密度符合Boussinesq假設(shè)，同時(shí)考慮空氣重力及由于溫差產(chǎn)生的浮升力［5］；

②室內(nèi)氣密性良好，室內(nèi)無其他冷源或者障礙物；

③散熱器邊界為wall，設(shè)置面發(fā)熱功率；

④室外溫度為-6.2 ℃，墻壁及窗戶設(shè)為wall邊界，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性，邊界條件設(shè)置定壁溫0℃；

3 仿真分析

圖3為廠房室內(nèi)水平截面及豎直截面的仿真溫度云圖。由廠房各截面溫度場云圖可看出，廠房的散熱器供暖效果較差，在人員活動區(qū)域（1.5 m以下）幾乎無溫升。

圖3 廠房不同截面溫度分布云圖

圖4為辦公室室內(nèi)水平截面及豎直截面的仿真溫度云圖。從溫度場云圖可看出辦公室離地0.5 m溫升約20 ℃，水平面溫度場較均勻，但存在“上暖下涼”的垂直溫差。

圖4 辦公室不同截面溫度分布云圖

圖5 辦公室及廠房豎直截面的速度矢量圖

對比辦公室及廠房的供暖差異，可看出廠房供暖效果差的主要原因在于供熱量不足。

表2 房間熱負(fù)荷計(jì)算

從辦公室速度場模擬結(jié)果分析，散熱器產(chǎn)生的熱氣流沿散熱器表面與外墻內(nèi)表面上升，至屋頂高度后沿著天花板繼續(xù)運(yùn)動，直到受對面墻體阻擋后沿對面墻體內(nèi)表面向下運(yùn)動，室內(nèi)冷氣流由于密度較大，沉積在地面附近。從氣流運(yùn)動規(guī)律分析，冷氣流蔓延在地面附近并向遠(yuǎn)離散熱器方向運(yùn)動，熱氣流沿墻體表面下降至某一高度后與冷氣流相遇，冷熱氣流流向相反，在空間上形成大渦流［5-8］。圖4截面3溫度場模擬結(jié)果與上述分析相吻合，熱氣流經(jīng)過的上部區(qū)域溫度較高，而冷氣流所在的地面附近溫度明顯較低。在整個(gè)空間高度范圍內(nèi)，存在垂直溫度梯度［9］。

從廠房速度場模擬結(jié)果分析，熱氣流沿外墻內(nèi)表面上升至屋頂高度后，繼續(xù)沿著天花板向中心方向運(yùn)動，但由于廠房高度和寬度的增加會加大熱氣流的失熱量。當(dāng)高度增加時(shí)，熱氣流由于失熱量加大，上升高度減小，同時(shí)沉積地面附近的冷氣流增加。當(dāng)寬度增加時(shí)，熱氣流沿天花板運(yùn)動過程中失熱量增加，提前下降。左右兩側(cè)的熱氣流與冷氣流形成兩大渦流，在空間下方中間工作區(qū)形成明顯的低溫區(qū)域。對比辦公室的速度場模擬結(jié)果，可看出空間的高度和寬度是影響散熱器供暖效果的關(guān)鍵因素［9-10］。

4 優(yōu)化方案

4.1 增加散熱器采暖

經(jīng)以上對辦公室與廠房供熱量與溫度場、速度場仿真效果的分析，得出廠房溫度低的主要原因在于供熱量不足，且廠房寬度較大，廠房兩側(cè)熱氣流上升后在離寬度中心一定距離提前下降，致使廠房中間部位溫度較低。因此，此優(yōu)化方案在原有散熱器基礎(chǔ)上，在廠房中間位置增加散熱器（26個(gè)SR-01，167kW），散熱器間隔1m均勻排布。

圖6為廠房室內(nèi)水平截面及豎直截面的仿真溫度云圖，人員活動區(qū)域溫度約為6 ℃。

圖6 廠房不同截面溫度分布云圖

4.2 采用散熱器+吊柜采暖

從供暖空間的速度場仿真效果可看出，散熱器的熱氣流主要受浮升力驅(qū)動，沿外墻內(nèi)表面上升至屋頂高度后沿著天花板繼續(xù)向空間中心方向運(yùn)動，與空間冷氣流形成渦流，致使冷氣流沉積于地面附近，形成“上熱下冷”效果，導(dǎo)致廠房人員活動區(qū)域溫度較低。由于廠房高度較高，人員活動區(qū)域主要為1.5m以下高度，為供暖控制區(qū)域，為節(jié)省能源，需將熱氣流主要控制于此區(qū)域中。因此，此優(yōu)化方案在原有散熱器基礎(chǔ)上增加制冷系統(tǒng)末端吊柜進(jìn)行制熱供暖，吊柜離墻3.3 m，底部離地6.25m。所有主機(jī)全開供熱量為982.5 kW，散熱器供熱量為389.83kW，則吊柜供熱量為592.67kW，計(jì)算得到吊柜進(jìn)出風(fēng)溫差為7.72 ℃，設(shè)置吊柜回風(fēng)溫度10 ℃，送風(fēng)溫度17.72 ℃。

表3 吊柜參數(shù)表

圖7為廠房室內(nèi)水平截面及豎直截面的仿真溫度云圖，人員活動區(qū)域溫度約為12 ℃，溫度提升效果明顯。

圖7 廠房不同截面溫度分布云圖

4.3 采用吊柜采暖

從以上兩個(gè)優(yōu)化方案可看出，散熱器采暖不可避免的存在較大垂直溫差問題，對目標(biāo)供暖區(qū)域溫升效果較差，采用吊柜采暖可增加對熱氣流方向的控制，使熱氣流主要作用于目標(biāo)供暖區(qū)域，優(yōu)化效果明顯［11-12］。因此，此優(yōu)化方案取消原設(shè)計(jì)方案的散熱器，采用制冷系統(tǒng)末端吊柜制熱采暖，節(jié)省初投資。吊柜安裝于廠房東西墻兩側(cè)，離墻3.3m，底部離地6.25m。根據(jù)主機(jī)總制熱量982.5 kW，計(jì)算吊柜送回風(fēng)溫差為12.8℃，回風(fēng)溫度設(shè)置為10℃，出風(fēng)溫度為22.8℃，球形噴口水平向下45°送風(fēng)。

圖8為廠房室內(nèi)水平截面及豎直截面的仿真溫度云圖，人員活動區(qū)域溫度約為15℃，溫度提升效果明顯。

圖8 廠房不同截面溫度分布云圖

5 經(jīng)濟(jì)性分析

以單日供暖設(shè)備用電量計(jì)算，每天運(yùn)行24小時(shí)；室外溫度低于10 ℃時(shí)系統(tǒng)供暖；單臺主機(jī)輸入電功率41.5kW，輸出制熱量98.25kW；冬季供暖運(yùn)行中，隨室外溫度變化，機(jī)組自動調(diào)節(jié)；供熱系統(tǒng)單臺循環(huán)水泵功率15 kW，共4臺，配合主機(jī)自動調(diào)節(jié)；查詢典型年逐時(shí)氣象參數(shù)，統(tǒng)計(jì)各室外溫度區(qū)間的累計(jì)小時(shí)數(shù)，計(jì)算其所占時(shí)間百分?jǐn)?shù)及系統(tǒng)負(fù)荷率；

用電量=設(shè)備功率×每天運(yùn)行時(shí)數(shù)×?xí)r間百分?jǐn)?shù)×負(fù)荷百分?jǐn)?shù)。

5.1 原設(shè)計(jì)方案

常規(guī)散熱器采暖方案（表4），總供熱量389.83kW，開4臺主機(jī)，2臺水泵。

表4 常規(guī)散熱器采暖方案

5.2 增加散熱器采暖

優(yōu)化散熱器采暖方案（增加26個(gè)SR-01），總供熱量557kW，開6臺主機(jī)，3臺水泵。

表5 優(yōu)化散熱器采暖方案

5.3 采用散熱器+吊柜采暖

室外溫度<0 ℃時(shí)散熱器+吊柜采暖，開10臺主機(jī)，4臺水泵，室外溫度≥0 ℃時(shí)散熱器采暖，開4臺主機(jī)，2臺水泵。

表6 散熱器+吊柜采暖方案

5.4 采用吊柜采暖

總供熱量982.5kW，開10臺主機(jī)，4臺水泵。

表7 吊柜采暖方案

6 分析結(jié)論

本文采用CFD數(shù)值模擬手段，模擬了散熱器供暖條件下廠房和辦公室的溫度場和速度場分布情況，模擬結(jié)果表明：

①廠房的散熱器供暖效果較差，辦公室水平溫度場較均勻，但存在垂直溫差；廠房溫度低的主要原因在于供熱量不足；

②廠房下方中間工作區(qū)形成明顯的低溫區(qū)域，辦公室存在垂直溫度梯度；空間的高度和寬度是影響散熱器供暖效果的關(guān)鍵因素。

由于原有設(shè)計(jì)方案可行性較低，本文提出了增加散熱器采暖、采用散熱器+吊柜采暖及采用吊柜采暖三種優(yōu)化方案。

通過對比三種方案的溫度場模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)采用散熱器+吊柜采暖及吊柜采暖方案溫度提升效果明顯。進(jìn)一步展開經(jīng)濟(jì)性分析，可以看出吊柜采暖方案總用電量較高，采用散熱器+吊柜采暖經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

綜上所述，在滿足高大空間供暖需求的情況下，兼顧經(jīng)濟(jì)性的要求，本文推薦采用散熱器+吊柜的供暖方式。